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－学科前沿课 2001.10

半导体光放大器 (SOA) 非线性效应及其应用. 信息光电子研究所 姚 敏 玉. －学科前沿课 2001.10. SOA 非线性效应及其应用.  半导体光放大器 (SOA) 简介  SOA 的非线性效应  增益饱和 & 自相位调制 (SPM)  交叉增益调制 （ XGM ）  交叉相位调制 （ XPM ）  四波混频 （ FWM ）  SOA 非线性效应在光通信及光网络的应用  波长变换  光“控”光开关  全光再生  中点谱反转色散补偿  光时钟信号提取. 半导体光放大器 (SOA) 简介.

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  1. 半导体光放大器(SOA) 非线性效应及其应用 信息光电子研究所 姚 敏 玉 －学科前沿课 2001.10

  2. SOA非线性效应及其应用 半导体光放大器(SOA)简介 SOA的非线性效应 增益饱和 & 自相位调制 (SPM) 交叉增益调制 （XGM） 交叉相位调制 （XPM） 四波混频（FWM） SOA非线性效应在光通信及光网络的应用 波长变换光“控”光开关全光再生 中点谱反转色散补偿 光时钟信号提取

  3. 半导体光放大器(SOA)简介 半导体光放大器发展简史  1962年 半导体激光器诞生，而后研制SOA  80年代 光纤取得突破性进展后，又开始大力研 究SOA，希望成为光中继放大器  1989年 EDFA研制成功，取代SOA成为性能良好的 全光中继放大器  1990年 广泛开展了利用SOA非线性效应的全光信 号处理  1999年 SOA作为WDM系统的中继放大重新引起关注

  4. 半导体光放大器(SOA)简介  行波半导体光放大器（TWSOA）的设计 半导体材料折射率 3.4 端面反射率：32％ 消反射膜的设计 消反膜

  5. 半导体光放大器(SOA)简介  半导体光放大器特性参数 (典型值)  带宽（3dB） 70nm  增益（纤对纤） 25~30dB  增益纹波 (ripple) 0.1-0.3dB  饱和输出功率 7~10 dBm  噪声系数： 6~8 dB  偏振依赖性：1~2 dB

  6. SOA非线性效应及其应用 半导体光放大器(SOA)简介 SOA的非线性效应 增益饱和 & 自相位调制 (SPM) 交叉增益调制 （XGM） 交叉相位调制 （XPM） 四波混频（FWM） SOA非线性效应在光通信及光网络的应用 波长变换光“控”光开关全光再生 中点谱反转色散补偿光时钟信号提取

  7. SOA的非线性效应 SOA中非线性效应的物理机制 － 带间跃迁 (载流子寿命：几百皮秒) 光子与载流子相互作用， 强 受激辐射、受激吸收、自发辐射 载流子数目  折射率 － 带内驰豫 （几十~几百飞秒） 载流子之间及载流子与声子, 弱 光谱烧孔(50-100 fs)、载流子加热 (载流子吸收、双光子吸收; 0.5-1ps） 测量方法: 时域pump-prob 频域 四波混频 双光子吸收 SOA非线性源于半导 体介质中自由载流子

  8. SOA的非线性效应 带间载流子受激过程引起的增益变化 载流子密度，折射率 （受激吸收） 载流子密度，折射率 （受激辐射） *带间跃迁:输入光脉冲较宽时，载流子密度脉动 带内弛豫:输入脉宽<1ps，带内超快非线性显现

  9. SOA的非线性效应 比较光纤与SOA的非线性效应 SOA 光纤  物理机制  非线性系数  控制光功率  响应速度  主要特点 自由载流子弛豫,脉动 大 3～4数量级 < 1mw ~ 载流子寿命 体积小, 可集成 易控制,可实现光“控” 光功能 束缚电荷非线性极化 2.36×10-20 m2/W 需要长光纤 ~ 1W (峰值) 快, 几皮秒 成本低廉 稳定性较差 色散及偏振模色散

  10. SOA的非线性效应  理论模型  与非线性效应相关的主要参数 增益压缩因子 ~2 线宽增强因子5 - 8

  11. SOA的非线性效应 增益饱和  短光脉冲在SOA内传输特性（p <<c）  脉冲前沿获得全部增益, 消耗大量载流子使SOA饱 和，后沿只获得很小增益 －脉冲畸变  增益饱和时间与注入脉冲 有关 (典型值：几皮秒）

  12. SOA的非线性效应 增益饱和 SOA的增益饱和导致的信号畸变

  13. SOA的非线性效应 增益饱和 SOA的增益恢复 注入电流，使增益恢复  增益恢复时间与载流子寿命(自发辐射寿命)有关 典型值: 300-500 ps  减小载流子寿命的途径 外注入光采用长腔长器件

  14. SOA的非线性效应 -自相位调制  SPM的起源: 脉冲增益饱和引起的瞬态相位调制 增益 载流子密度非线性折射率 相位  自相位调制引起的频率啁啾  自相位调制导致脉冲红移

  15. SOA的非线性效应 -自相位调制 输出脉冲光谱 输出脉冲频率啁啾  光谱主峰向低频方向偏移 (红移)  G0红移量 (3－5) 10 ps 脉冲 频移 100 GHz

  16. SOA的非线性效应 -交叉增益调制  交叉增益调制(XGM)起源 两束光波通过SOA时，信号光通过增益饱和调制SOA 增益，使另一束光(控制光)的光强受到调制 输入信号 增益 折射率 输出信号

  17. SOA的非线性效应 -交叉增益调制  SOA交叉增益调制主要特性 • 控制光可反向输入 (反向工作) • 输出波长变换 • 输入信号功率：> 0 dBm • 输出信号消光比较低（8 dB） • 输出信号有畸变、啁啾 • 输出信噪比较差（7－9 dB) • 工作速率与消光比的矛盾

  18. SOA的非线性效应 -交叉相位调制  交叉相位调制(XPM)起源 两束光波通过SOA时,信号光调制SOA载流子密度即 调制了折射率，使另一束光(控制光)的相位发生变化 输入信号 载流子 折射率 输出信号 啁啾

  19. SOA的非线性效应 -交叉相位调制  SOA中XPM的主要特性 • 消光比 15 dB • 输出信号畸变、啁啾减小 • 信噪比 提高 3 dB • 输入信号动态范围: 3 dB ( 消光比 > 12 dB )  SOA中XPM和XGM相伴存在

  20. SOA的非线性效应 -四波混频  四波混频 (FWM) 起源 SOA中两个光波相互作用，通过载流子密度调制,载流子加热,光谱烧孔机制形成增益(载流子)和折射率(相位)光栅. 泵浦光和信号光波在光栅上的散射 产生新频率波(s; 2P-s)；(P; 2s-p )

  21. SOA的非线性效应 -四波混频  四波混频(FWM)效率:  泵浦光功率平方  信号光功率  泵浦光~信号光失谐量

  22. SOA的非线性效应 -四波混频  SOA四波混频主要特点：  无需相位匹配  反转信号相位共轭  响应速度快  格式透明  偏振有关  ASE噪声

  23. SOA的非线性效应  SOA器件参数与非线性效应 有效长度--器件长度及限制因子决定 有效长度 XGM, XPM带宽, 四波混频效率 有效长度 载流子寿命, 增益及ASE  线宽增强因子() 大, 可减小XPM中伴随的增益调制, FWM效率高 透明电流密度 关系到FWM中SNR及XGM和XPM波长变换信号 ASE噪声 增益 在非线性应用中不是十分重要

  24. SOA的非线性效应

  25. SOA非线性效应及其应用 半导体光放大器(SOA)简介 SOA的非线性效应 增益饱和 & 自相位调制 (SPM) 交叉增益调制 （XGM） 交叉相位调制 （XPM） 四波混频（FWM） SOA非线性效应在光通信及光网络的应用 波长变换光“控”光开关全光再生 中点谱反转色散补偿光时钟信号提取

  26. SOA非线性效应及其应用  SOA 光子开关（光控光功能）：两种基本结构  单个SOA 光开关(XGM, FWM) ； • 工作速率受限 • 码型效应 • 消光比较差 • 响应快 • 开关窗口取决于控制 • 脉冲峰功及脉宽 脉冲

  27. SOA非线性效应及其应用  干涉型光开关 (XPM) • 优点: • 低开关能量(1fJ/脉冲) • 输入信号动态范围大 • 稳定, 偏振无关 • 高频及宽带 • 缺点: • 码型效应 • SOA噪声 Mach-Zehnder 干涉仪开关

  28. SOA非线性效应及其应用  基于SOA的非线性环路反射镜(SLALOM, TOAD) Sagnac 干涉仪开关 • SOA偏离中心放置 • CW及CCW传输光经历不 • 同相移 • CW与CCW光相位差为时 • 输出端有信号(透射); 相位 • 差为0, 无信号输出(反射) • 开关窗口主要由SOA偏离 • 位置决定 SLALOM自开关

  29. SOA非线性效应及其应用  SOA非线性环路反射镜(SLALOM, TOAD) 光控光功能(光“与”门) SLALOM--Nonlinear optical Loop mirror base on SLA TOAD-- Terahertz Optical Asymmetric Demultiplexer

  30. SOA非线性效应及其应用  SOA 单臂干涉仪 (UNI 超快非线性干涉仪) • 第一段高双折射光纤使两偏振分量信号走离 • 两偏振分量信号在SOA中经历不同相移 • 后一段高双折射光纤与前一段高双折射光纤等长, 快慢轴正交 • 两偏振分量信号干涉合成不同偏振态,经检偏器输出

  31. SOA非线性效应及其应用  SOA光子开关在光通信及光网络中的应用 TOAD/SLALOM/Sagnac光开关  光逻辑门 解复用 光再生  光存储 信号处理 计数器/加法器 MZI光开关 (已有集成器件)  解复用 波长变换  光再生(判决门) NRZ与RZ码的转换 UNI光开关  光逻辑门  解复用 光再生  光存储 信号处理

  32. SOA非线性效应及其应用 TOAD/SLALOM/Sagnac干涉开关作为OTDM系统解复用器 Clock in,1.3mm Data in,1.55mm • DEMUX from 880Gbps to 10Gbps was achieved in HHI Lab • 8 wavelength channels and 8 TDM channels in one WDM channel • Less than 2dB power penalty for optical demultplexing

  33. SOA非线性效应及其应用  波长变换器 基于XGM效应 转换后信号反相 结构简单 转换效率较高 转换速率 10 Gb/s 输出信号消光比劣化 高速工作有明显码型 效应 输出信号为正啁啾 基于XPM效应 转换后信号同相 两SOA需匹配, 集成器件 转换效率高 转换速率 >10 Gb/s 输出信号消光比>12dB 有码型效应 转换信号啁啾小，负啁啾 基于FWM效应 转换后信号相共轭 与信号格式无关 转换效率较低 转换速率 40 Gb/s 偏振相关性 转换效率~失谐量 有很强的ASE噪声

  34. SOA非线性效应及其应用  Logic XOR Gate with UNI 450 450 A B CLK X 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 • Control pulse A and B are the logical inputs to the UNI gate • Logical operation A XOR B is written on the input clock signal • Clock appears at output S when A OR B are present • Clock appears at output U when A and B are present, or both zero • 20Gbps Boolean XOR Gate has been achieved

  35. SOA非线性效应及其应用  全光3R技术

  36. SOA非线性效应及其应用  中点谱反转色散补偿 3ps 5ps • 10GHz ,3ps pulse transmission over 100km SMF • 10Gb/s NRZ transmission on 260km SMF (power • penalty=1.8dB)

  37. SOA非线性效应及其应用 小 结  增益饱和SOA的各种非线性效应在未来光通信及 光网络中有十分重要的应用前景, 引起世界广泛 的关注  随着单信道速率不断提高, SOA的各种非线性应用 速率必须大于40Gb/s 有限载流子寿命对工作速率的限制 码型效应的抑制  低成本高性能的SOA集成器件的研发

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